拉扭复合微动疲劳试验设备及试验方法与流程

本发明属于轮轴过盈配合疲劳测试领域，具体涉及一种拉扭复合微动疲劳试验设备及试验方法。

背景技术：

微动疲劳是指两个接触工件的接触面间由于机械振动、疲劳载荷、电磁振动或热循环等交变载荷作用下发生的极小振幅（微米量级）的相对位移，由此带来的高应力集中以及磨损的疲劳行为。

微动疲劳广泛存在于机械行业、铁路、核电、航空航天、桥梁、船舶等各个工业领域的紧固配合构件中，其危害是非常严重和极其可怕的，并且已经成为很多关键零部件失效的主要原因，例如：铆钉连接、螺纹连接、销轴连接等连接件，花键配合、榫槽配合、轮轴过盈配合，钢缆、高空导线等，这些疲劳现象都是由于连接件的某个位置受到微动疲劳而发生失效。

微动疲劳按试样的加载方式，可以分为拉压、拉扭复合和弯曲三种基本模式，对于点接触的微动疲劳形式，其试验接触模型可以是水平圆柱或垂直圆柱；对于线接触的微动疲劳形式，其试验接触模型可以是水平圆柱或平面。

目前，微动疲劳的研究主要集中在拉压模式，国际上关于轮轴材料的微动疲劳研究也都仅局限于拉压模式，在微动疲劳试验中对两侧微动垫施加水平（法向）载荷，以使两侧微动垫与试样保持压配合（紧配合），目前就这种方式进行试验的设备复杂，试验结果较差，试样在加载的过程中容易发生参数弯曲现象，而且试验过程中应变位移变化测量较难。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的拉扭复合微动疲劳试验设备及试验方法能够在试验时，同时对试样轴实现拉伸和与扭转试验。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

在本发明的一个实施例中，提供一种拉扭复合微动疲劳试验设备，其包括安装环，至少三个等间距安装在安装环上、用于对试样轴的径向进行定位的径向定位装置，用于夹持试样轴端部、进行拉扭复合试验的加载装置和用于给加载装置提供动力的动力装置；相邻两个径向定位装置之间设置有用于对试样轴径向图像进行采集的图像采集装置，每个径向定位装置与试样轴接触处设置有三维传感器；

加载装置包括套筒，套筒的中部设置有环形凸台，其底部边缘开设有至少三个弧形槽，弧形槽的最深点与弧形槽圆心之间的连线与套筒侧壁之间的夹角小于90°；套筒内等间距设置有至少三块用于夹持试样轴端部、且呈弧形的夹持板，每个夹持板通过其上固定设置的螺柱安装于套筒上的螺纹孔内；

套筒的弧形槽内放置上滚珠后，将套筒的下端放置于收纳槽内，收纳槽的内径大于套筒与滚珠组成的结构的外径；收纳槽放置于固定板上，并通过连接固定板与环形凸台的螺栓将套筒固定在固定板上；固定板通过联轴器与蜗杆固定连接；动力装置包括电动机，电动机的输出轴上设置的涡轮与蜗杆啮合；

环形凸台上设置有一用于采集试样轴试验时的旋转角度的角度采集器，角度采集器包括固定于环形凸台上的支撑块和设置于支撑块上端、且紧贴于套筒外表面的弧形板；弧形板上开设有弧形槽，弧形槽上端的弧形板上设置有若干刻度线；弧形槽内放置有卡装于试样轴的安装孔内的测量轴，测量轴的自由端设置有指示旋转角度的指针；支撑块上设置有一用于采集指针旋转情况的图像采集器；图像采集装置、三维传感器、图像采集器和电动机均与控制模块连接。

在本发明的另一个实施例中，提供一种拉扭复合微动疲劳试验设备的试验方法，该方法包括以下步骤：

a、在试样轴的两端分别各加工一个与所述测量轴直径相匹配的安装孔；

b、将试样轴穿过径向定位装置，并将其两端放置于套筒内的几个夹持板中间，调节螺柱使所有夹持板与试样轴紧密接触，同时将角度采集器的测量轴紧固于安装孔内；

c、调节径向定位装置的螺杆，使所有的微动块夹紧试样轴，直至压力传感器采集的压力值达到设定的夹紧力；

d、通过控制模块向电动机发出施加预设的拉扭复合载荷的信息，电动机带动加载装置拉伸所述试样轴，滚珠受力不均匀而带动试样轴做旋转运动；

e、试样轴旋转时与微动块发生相对运动的过程中，与试样轴接触的三维传感器实时测出法向力以及摩擦力，并送至控制模块；

f、控制模块控制电动机的同时启动图像采集装置、图像采集器时刻采集试样轴的旋转角度和试样轴的变形幅度；

g、控制模块将图像采集装置和图像采集器反馈的体现旋转幅度和试样轴的图片导入位移分析软件，得到试样轴的旋转角度和试样轴的变形幅度。

本发明的有益效果为：加载装置在受到拉伸力时，由于其内部的滚珠位置的独特设置，其能够将其受到力分解为竖直方向和横向的力，在横向力作用下，滚珠带动套筒旋转，进而带动试样轴做轻微的旋转，以到达拉扭复合试验。

试样轴旋转的同时，固定于试样轴上的测量轴也跟着旋转，测量轴上的指针与弧形板上的刻度线相配合而实现测量轴旋转的最终角度的显示；另外，图像采集器能够对指针的动态旋转进行图像采集，其采集的图像结合图像采集装置采集的数据可以达到对测量轴的动态旋转过程进行分析。

附图说明

图1为拉扭复合微动疲劳试验设备的安装环、径向定位装置和加载装置组装在一起夹持住试样轴后的俯视图。

图2为沿图1中线A-A方向的剖视图。

图3为拉扭复合微动疲劳试验设备的加载装置与动力装置组装在一起的结构示意图。

图4为角度采集器安装在套筒的环形凸台上的立体图。

其中，1、径向定位装置；11、螺杆；12、安装块；13、支撑板；14、导轨；15、滑块；16、微动块；2、安装环；3、试样轴；4、加载装置；41、套筒；411、测量轴；412、环形凸台；42、夹持板；43、支撑块；431、刻度线；432、弧形槽；44、固定板；45、联轴器；46、蜗杆；47、滚珠；48、螺柱；5、动力装置；51、电动机；52、涡轮。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

参考图1和图3，图1示出了拉扭复合微动疲劳试验设备的安装环2、径向定位装置1和加载装置4组装在一起夹持住试样轴3后的俯视图，图3示出了拉扭复合微动疲劳试验设备的加载装置4与动力装置6组装在一起的结构示意图。

如图1和图3所示，该拉扭复合微动疲劳试验设备包括安装环2，至少三个等间距安装在安装环2上、用于对试样轴3的径向进行定位的径向定位装置1，用于夹持试样轴3端部、进行拉扭复合试验的加载装置4和用于给加载装置4提供动力的动力装置6；相邻两个径向定位装置1之间设置有用于对试样轴3径向图像进行采集的图像采集装置，每个径向定位装置1与试样轴3接触处设置有三维传感器。

实施时，优选在安装环2上等间距地安装有径向定位装置1，多个进径向定位装置1的选用可以使试样轴3在径向受到的夹紧力均匀分布，使试样轴3在加载的过程不会出现参数弯曲现象，试验重复性好。

所有径向定位装置1均安装在安装环2上，大大地减少了试验设备的构件数量，使得整个试验设备更加简单，轻便，并且可以方便的调整径向定位装置1的空间位置，适用于各种长度的试样轴。

如图3所示，加载装置4包括套筒41，套筒41的中部设置有环形凸台412，其底部边缘开设有至少三个弧形槽432，弧形槽432的最深点与弧形槽432圆心之间的连线与套筒41侧壁之间的夹角小于90°；上述角度的设置，可以使滚珠47所受到的力不是位于直线上的，这样该力能够被分解成横向和纵向的分力，这样滚珠47在横向的分力作用下，带动套筒41做旋转运动。

套筒41内等间距设置有至少三块用于夹持试样轴3端部、且呈弧形的夹持板42，每个夹持板42通过其上固定设置的螺柱48安装于套筒41上的螺纹孔内；多个夹持板42的设置，在给试样轴3施加拉伸力时，可以使试样轴3受力相对均匀，从而保证试验的准确性，另外其还可以适用于不同直径的试样轴。

套筒41的弧形槽432内放置上滚珠47后，将套筒41的下端放置于收纳槽内，收纳槽的内径略大于套筒41与滚珠47组成的结构的外径，设计时，优选收纳槽的内径比套筒41与滚珠47组成的结构的外径大0.2cm；上述尺寸的设计，可以避免滚珠47在收纳槽内不按一定规律滑动，从而提高了后面对试样轴3旋转角度采集的准确性。

收纳槽放置于固定板44上，并通过连接固定板44与环形凸台412的螺栓将套筒41固定在固定板44上；固定板44通过联轴器45与蜗杆46固定连接；动力装置6包括电动机51，电动机51的输出轴上设置的涡轮52与蜗杆46啮合。

如图4所示，环形凸台412上设置有一用于采集试样轴3试验时的旋转角度的角度采集器，角度采集器包括固定于环形凸台412上的支撑块43和设置于支撑块43上端、且紧贴于套筒41外表面的弧形板。

弧形板上开设有弧形槽432，弧形槽432上端的弧形板上设置有若干刻度线431；弧形槽432内放置有卡装于试样轴3的安装孔内的测量轴411，测量轴411的自由端设置有指示旋转角度的指针；支撑块43上设置有一用于采集指针旋转情况的图像采集器。

试样轴3旋转的同时，固定于试样轴3上的测量轴411也跟着旋转，测量轴上的指针与弧形板上的刻度线431相配合而实现测量轴旋转的最终角度的显示；另外，图像采集器能够对指针的动态旋转进行图像采集。

图像采集装置、三维传感器、图像采集器和电动机51均与控制模块连接。图像采集器采集的图像结合图像采集装置采集的数据可以达到对测量轴的动态旋转过程进行分析。

如图2所示，径向定位装置1包括螺杆11及分别固定安装在安装环2上的安装块12和支撑板13，支撑板13上设置有两条导轨14，导轨14上安装有可沿其滑动的滑块15；滑块15的连接杆上设置有一微动块16，三维传感器安装于微动块16与试样轴3之间；螺杆11穿过安装块12和安装环2的端部固定于支撑板13上，支撑板13与螺杆11之间设置有一与控制模块连接的压力传感器。

三维传感器实时测出试样轴3在试验过程中受到的法向力以及摩擦力，并送至控制模块，控制模块通过分析得到试样轴3在不同工况下摩擦系数的变化和微动疲劳寿命；

实施时，本方案优选收纳槽的深度等于环形凸台412到安装于弧形槽432内滚珠47最低点的距离。这样设置可以避免在拉伸试验轴时，收纳槽相对套筒41运动，致使扭转测试不准确。

图像采集装置和图像采集器均选用高速摄像机，高速摄像机提高了采集的图像的质量。

至此，已完成对拉扭复合微动疲劳试验设备的描述，下面接着对拉扭复合微动疲劳试验设备的试验方法进行详细地描述：

该拉扭复合微动疲劳试验设备的试验方法包括以下步骤：

a、在试样轴3的两端分别各加工一个与测量轴411直径相匹配的安装孔；

b、将试样轴3穿过径向定位装置1，并将其两端放置于套筒41内的几个夹持板42中间，调节螺柱48使所有夹持板42与试样轴3紧密接触，同时将角度采集器的测量轴411紧固于安装孔内；

c、调节径向定位装置1的螺杆11，使所有的微动块16夹紧试样轴3，直至压力传感器采集的压力值达到设定的夹紧力；

d、通过控制模块向电动机51发出施加预设的拉扭复合载荷的信息，电动机51带动加载装置4拉伸试样轴3，滚珠47受力不均匀而带动试样轴3做旋转运动；

e、试样轴3旋转时与微动块16发生相对运动的过程中，与试样轴3接触的三维传感器实时测出法向力以及摩擦力，并送至控制模块；

f、控制模块控制电动机51的同时启动图像采集装置、图像采集器时刻采集试样轴3的旋转角度和试样轴3的变形幅度；

g、控制模块将图像采集装置和图像采集器反馈的体现旋转幅度和试样轴3的变形情况的图片导入位移分析软件，得到试样轴3的旋转角度和试样轴3的变形幅度。

综上所述，该试验设备能方便模拟微动点接触（水平圆柱/垂直圆柱）、线接触（水平圆柱/平面）形式的接触模型的微动疲劳进行法向加载，能很好的达到设定的法相载荷，试用范围广、操作简单，试验结果准确、可靠。

虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。